ما هو المفاعل في المصنع: الوظيفة وأنواعها ودورها في محطات المعالجة

ما هو المفاعل في المصنع؟المفاعل هو الوعاء الموجود في مصنع التصنيع حيث يتم تحويل المواد الخام عمدًا إلى مادة مختلفة وأكثر قيمة عن طريق تفاعل كيميائي أو تفاعل كيميائي حيوي خاضع للرقابة؛ وكل شيء آخر في النبات موجود ليغذيه أو ينفصل عنه أو ينقي مخرجاته. ما يجعل المفاعل مختلفًا عن الخزان البسيط هو أن حجمه وشكله يتم تحديدهما من خلال ثلاثة توازنات يتم حلها معًا: توازن مولي يحدد الحجم، وقانون معدل يحدد الوقت، وتوازن طاقة يحدد الحد عادةً، لأن معدلات التفاعل تتضاعف تقريبًا لكل ارتفاع بمقدار 10 درجات مئوية، وتطلق الطاردات الحرارية النموذجية 50-250 كيلوجول/مول مع ارتفاع درجة الحرارة الأديباتية بمقدار 50-300 درجة مئوية. التكوينات الأربعة الموجودة في المصانع هي المفاعل الدفعي، ومفاعل الخزان المقلب المستمر، ومفاعل التدفق السدادي، والطبقة المميعة، ويكون الاختيار بينها مدفوعًا بمعدل الإنتاج والحمل الحراري وقائمة المنتجات بدلاً من التفضيل.

تتمثل مهمة المفاعل في تلقي التغذية وتسليم المنتج عند تحويل وانتقائية وجودة محددة، وتقرر ثلاث حقائق فيزيائية كيفية تحقيق ذلك:

• تحويل العلف إلى منتج عن طريق الكيمياء الخاضعة للرقابة:في مصنع الأسمدة، يقوم المفاعل بتحويل الأمونيا وثاني أكسيد الكربون إلى اليوريا، وفي مصنع البوليمر يبني سلاسل طويلة من المونومرات، وفي معمل التكرير الحيوي يقوم جهاز التخمير بزراعة الخلايا التي تصنع المنتج. المفاعل هو خطوة القيمة المضافة: وحدات المنبع، مثل التقطير أو التبلور، تقوم فقط بفصل وتنقية ما ينتجه المفاعل. ولهذا السبب تم تصميم المحطات حول المفاعل، مع ترتيب المفاعلات وحلقات الفصل وإعادة التدوير بحيث يتم إرجاع التغذية غير المتفاعلة بدلاً من التخلص منها، لأن تحقيق التحويل الكامل في مسار واحد عادة ما يكون غير اقتصادي والعديد من التفاعلات محدودة التوازن، لذا فإن تحويل المسار الأحادي بنسبة 90-98٪ مع إعادة التدوير أمر طبيعي.
• إبقاء التفاعل ضمن غلافه الآمن:ونظرًا لأن المعدلات تعتمد بشكل كبير على درجة الحرارة، فإن المفاعل يمثل أيضًا الخطر الرئيسي للمحطة. يطلق التفاعل الطارد للحرارة حرارة ترفع درجة الحرارة، مما يؤدي إلى تسريع التفاعل، مما يؤدي إلى إطلاق المزيد من الحرارة؛ وبدون الإزالة الكافية، تنطلق الدفعة بعيدًا، ويغلي المذيب، ويرفع الضغط إلى ما هو أبعد من حد الوعاء، ويمكن أن يؤدي إلى تحلل المحتويات. وبالتالي، يحمل مفاعل المصنع طبقات حماية متعددة ومستقلة: التحكم التلقائي في درجة الحرارة والتغذية، ورحلة مستقلة لدرجة الحرارة العالية توقف التغذية وتطبق التبريد الكامل، والتبريد في حالات الطوارئ على مرفق منفصل، وتخفيف الضغط حسب منهجية DIERS للحالة التفاعلية المحددة. يتم اختيار هندسة الوعاء والغلاف أو منطقة الملف وموقع مستشعر درجة الحرارة بحيث يمكن دائمًا إزالة الحرارة المتولدة في كل نقطة في الوعاء، وليس فقط في المتوسط.
• تحديد جودة المنتج من خلال وقت الإقامة والخلط:لا يقرر المفاعل فقط كمية أشكال المنتج، بل يقرر أشكال المنتج. عندما يتنافس تفاعلان، تعتمد النسبة بينهما على درجة الحرارة والتركيز، وبالتالي فإن ملف درجة حرارة المفاعل يختار قائمة المنتج، وفي البلمرة يحدد الوزن الجزيئي وبالتالي خصائص مثل القوة ومؤشر الذوبان. توزيع وقت المكوث مهم بنفس القدر: الوعاء الحقيقي ينحرف دائمًا عن الخلط المثالي، وهذا الانتشار يوسع توزيع المنتج، ويبالغ في تفاعل بعض الجزيئات ويقلل التحويل الفعال. تدير المصانع ذلك من خلال طول إلى قطر أعلى من حوالي 3 للمفاعلات الأنبوبية، وحواجز لمنع التجاوز، ومجموعات من ثلاثة إلى ستة خزانات مقلوبة متسلسلة حيث يكون سلوك التدفق السدادي مطلوبًا دون التضحية بالخلط ونقل الحرارة.

أربعة تكوينات تغطي جميع واجبات المصنع تقريبًا، ويتم اختيار كل منها لسبب محدد:

• مفاعل دفعة:الأكثر مرونة والأكثر شيوعًا في المواد الكيميائية الدقيقة والأدوية والراتنجات والتخصصات. يتم شحن المواد المتفاعلة، ويتم إجراء التفاعل من خلال ملف تعريف درجة الحرارة والإضافة، ويتم تفريغ المحتويات. قوتها هي المرونة، ونفس الوعاء يصنع العديد من المنتجات، ومدة الإقامة الطويلة تناسب ردود الفعل البطيئة؛ عملية شبه الدفعة، حيث يتم تغذية مادة متفاعلة واحدة مع مرور الوقت، تتحكم في إطلاق الحرارة والانتقائية. تتمثل نقاط ضعفها في الوقت غير الإنتاجي، حيث يمكن أن يستهلك الشحن والتدفئة والتبريد والتنظيف والتفريغ ما بين 30 إلى 60% من الدورة، والتباين من دفعة إلى أخرى، ولهذا السبب تضيف الصناعات الخاضعة للتنظيم وثائق واسعة النطاق.
• مفاعل الخزان المقلب المستمر:تتم تغذيته وتفريغه بشكل مستمر، ويتم خلطه بشكل مثالي بحيث تبقى المحتويات في كل مكان عند تركيز المخرج. إنه يعطي منتجًا ثابتًا، ويسهل التحكم فيه ويتعامل مع الملاط بشكل جيد، مما يجعله طبيعيًا للبلمرة والتخمير. والعقوبة هي الحجم: نظرًا لأن الخزان بأكمله يقع عند أبطأ تركيز عند المخرج، فإن مفاعل CSTR يحتاج إلى ضعفين إلى عشرة أضعاف حجم مفاعل التدفق السدادي لنفس المهمة. تستعيد النباتات الكثير من ذلك من خلال سلسلة مكونة من ثلاثة إلى ستة CSTRs متسلسلة، مما يؤدي إلى الحصول على معظم فائدة تدفق السدادة مع الحفاظ على خلط الخزان المقلب ونقل الحرارة.
• سد التدفق والمفاعل الأنبوبي:تتحرك المادة عبر شرائح رفيعة بدون خلط محوري، لذلك ينخفض ​​التركيز تدريجيًا على طول الطول ويكون المعدل المتوسط ​​أعلى مما هو عليه في CSTR. توفر المفاعلات الأنبوبية أعلى إنتاجية حجمية وانتقال ممتاز للحرارة لكل وحدة حجم من نسبة السطح إلى الحجم العالية، ولهذا السبب فهي قياسية لتفاعلات الطور الغازي ذات درجة الحرارة العالية مثل تكسير البخار عند 750-870 درجة مئوية وللتفاعلات الطاردة للحرارة السريعة. تتمثل القيود في انخفاض الضغط العالي للأنابيب المعبأة، وصعوبة التلوث والمواد الصلبة، وحقيقة أن الهارب ليس له مكان ليتبدده، لذلك يحتاجون إلى أجهزة دقيقة لدرجة الحرارة الموزعة.
• الأسرّة المميعة والمعبّأة والمتخصصة:عندما يتعلق الأمر بمحفز صلب، فإن وضع الاتصال يتبع عمر المحفز والحمل الحراري. تعتبر الطبقة الثابتة أو المعبأة بسيطة وتعطي سلوك التدفق السدادي ولكن لا يمكنها تغيير المحفز دون إيقاف التشغيل، مما يناسب التغذية النظيفة مع عمر محفز يتراوح من سنة إلى خمس سنوات. تقوم الطبقة المميعة بتعليق المحفز في الغاز المتدفق، مما يوفر عملية شبه متساوية الحرارة ودوران محفز مستمر، وهو أمر ضروري عندما يتم إلغاء تنشيط المحفز في ثوانٍ، كما هو الحال في التكسير الحفزي للسوائل عند 500-540 درجة مئوية، على حساب الاستنزاف واحتجاز الإعصار. يقوم عمود الملاط أو الفقاعة بتعليق المحفز الدقيق في السائل لإزالة الحرارة بشكل ممتاز ويستخدم في الهدرجة وخدمة Fischer-Tropsch.